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第7章药物代谢 1 药物代谢是指在酶的作用下将药物 通常是非极性分子 转变成极性分子 再通过人体的正常系统排出体外 这已成为药理学研究的一个重要组成部分 当药物进入机体后 一方面药物对机体产生诸多生理作用 即药效和毒性 另一方面 机体也对药物产生作用 即对药物的处置 包括吸收 分布 排泄和代谢 2 药物代谢的主要器官是肝脏 肾脏 肺和胃肠道 口服给药后 经过胃肠粘膜 经过血液循环进入肾脏 发生第一次代谢 首过效应 药物在进入人体循环之前被肝脏酶代谢的过程 3 给药途径 舌下给药 硝酸甘油 直肠给药 麦角胺 静脉注射 快速皮下注射肺部给药 4 放射性化合物的合成 标记化合物 化合物中的某一个或者多个原子或化学基团被其易辨认的核元素或基团所取代而得到的产物 若取代的核素是放射性元素 所得到的产物就成为放射性化合物 5 放射性化合物的合成 药物分子是天然产物或天然产物的衍生物 生物合成技术 6 放射性化合物的合成 药物分子是化学合成化合物 7 药物代谢研究中的分析方法提取酶法 水解极性较大的轭和物盐 溶剂对萃取法离子交换树脂HPLC MS 8 分离 HPLC毛细管气象色谱法 毛细管气相色谱是气相色谱的一种 柱内不装填料 空心柱阻力小 长度可达百米 将固定液直接涂在管壁上 总的柱内壁面积较大 涂层可很薄 则组分在气相和液相相间的传质阻力降低 这些因素使得毛细管柱的柱效比填充柱有了很大的提高 炼厂气组分的测定采用大孔毛细管的氧化铝多孔层空心柱 程序升温 毛细管电泳法 是以弹性石英毛细管为分离通道 以高压直流电场为驱动力 依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的电泳分离分析方法 9 结构确证 LCMS GCMS CEMS 核磁 10 药物的代谢通常分为两相 第 相 phase 生物转化和第 相 phase 生物转化 第 相主要是官能团化反应 在酶的催化下对药物分子的进行氧化 还原 水解和羟化等反应 在药物分子中引入或使药物分子暴露出极性基团 如羟基 羧基 巯基和氨基等 第 相又称为结合反应 将第 相中药物产生的极性基团与体内的内源性成分 如葡萄糖醛酸 硫酸 甘氨酸或谷胱甘肽 经共价键结合 生成极性大 易溶于水和易排出体外的结合物 11 第 相生物转化是官能团化反应 是在体内多种酶系的催化下 对药物分子引入新的官能团或改变原有的官能团的过程 参与药物体内 相生物转化的酶类主要是氧化 还原酶和水解酶 药物代谢的酶enzymesfordrugmetabolism 12 酶的分类 细胞色素P450酶系 cytochromeP450enzymesystem 还原酶系 reductase 过氧化物酶和单加氧酶 peroxidasesandothermonooxygenases 水解酶 hydrolases 13 一 细胞色素P450酶系 cytochromeP450enzymesystem 细胞色素P450酶系 cytochromeP450enzymesystem CYP450 是主要的药物代谢酶系 在药物代谢 其他化学物质的代谢 去毒性中起到非常重要的作用 CYP450存在于肝脏及其他肝脏外组织的内质网中 是一组血红蛋白偶联单加氧酶 heme coupledmonooxygenases 需辅酶NADPH reducedformofnicotinamideadeninedinucleotidephosphate 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯的还原态 和分子氧共同参与 主要进行药物生物转化中的氧化反应 包括失去电子 脱氢反应和氧化反应 14 人的不同亚型CYP在药物代谢中的作用 15 二 还原酶系 reductase 还原酶系主要是催化药物在体内进行还原反应 包括得到电子 加氢反应 脱氧反应 的酶系 通常是使药物结构中的羰基转变成羟基 将含氮化合物还原成胺类 便于进入第 相的结合反应而排出体外 参加体内生物转化还原反应的酶系主要是一些氧化 还原酶系 具有催化氧化反应和催化还原反应的双重功能 如CYP450酶系 醛 酮还原酶 这些酶需要NADPH或NADH作为辅酶 谷胱甘肽氧化还原酶 glutathioneoxidoreductase 醌还原酶 16 三 过氧化物酶和单加氧酶 peroxidasesandothermonooxygenases 过氧化物酶属于血红蛋白 是和CYP450单加氧酶最为类似的一种酶 这类酶以过氧化物作为氧的来源 在酶的作用下进行电子转移 通常是对杂原子进行氧化 如N 脱烃基化反应 和1 4 二氢吡啶的芳构化 其他的过氧化物酶还有前列腺素 内过氧化物合成酶 过氧化氢酶及髓过氧化物酶 myeloperoxidase 17 四 水解酶 hydrolases 水解酶主要参与羧酸酯和酰胺类药物的水解代谢 这些非特定的水解酶大多存在于血浆 肝 肾和肠中 因此大部分酯和酰胺类药物在这些部位发生水解 然而哺乳类动物的组织中也含有这些水解酶 使药物发生水解代谢 但是药物在肝脏 消化道及血液中更易被水解 酯水解酶包括酯酶 胆碱酯酶及许多丝氨酸内肽酯酶 其他如芳磺酸酯酶 芳基磷酸二酯酶 葡萄糖苷酸酶 环氧化物水解酶 epoxidehydrolase 等 它们和酯水解酶的作用相似 18 单加氧酶中除了CYP450酶系外 还有黄素单加氧酶 flavinmonooxygenase FMO 和多巴胺 羟化酶 dopamine hydroxylase FMO和CYP450酶系一起共同催化药物分子在体内的氧化 但FMO通常催化含N和S杂原子的氧化 而不发生杂原子的脱烷基化反应 19 第 相生物转化是指对药物分子进行官能团化的反应 主要发生在药物分子的官能团上 或分子结构中活性较高 位阻较小的部位 包括引入新的官能团及改变原有的官能团 氧化反应 oxidations 还原反应 reductions 脱卤素反应 dehalogenation 水解反应 hydrolysis 第 相的生物转化phase biotransformation 20 CYP450主要是通过 活化 分子氧 使其中一个氧原子和有机物分子结合 同时将另一个氧原子还原成水 从而在有机药物的分子中引入氧 一 氧化反应 oxidations 21 二 还原反应 reductions 1 羰基的还原酮羰基是药物结构中常见的基团 通常在体内经酮还原酶的作用 生成仲醇 脂肪族和芳香族不对称酮羰基在酶的催化下 立体专一性还原生成一个手性羟基 主要是S 构型 即使有其他手性中心存在亦是如此 如降血糖药乙酸己脲 acetohexamide 经代谢后以生成S 代谢物为主 镇痛药S 美沙酮 methadone 经代谢后生成3S 6S 美沙醇 acetohexamideS 代谢物 methadone3S 6S 美沙醇 22 2 硝基的还原芳香族硝基在代谢还原过程中 在CYP450酶系消化道细菌硝基还原酶等酶的催化下 还原生成芳香氨基 还原是一个多步骤过程 其间经历亚硝基 羟基胺等中间步骤 其硝基还原成亚硝基是厌氧过程 氧气的存在会抑制还原反应 还原得到的羟基胺毒性大 可致癌和产生细胞毒 23 3 偶氮基的还原偶氮基的还原在很多方面和硝基还原相似 该反应也是在CYP450酶系 NADPH CYP450还原酶及消化道某些细菌的还原酶的催化下进行的 氧的存在通常也会抑制还原反应的进行 还原中 偶氮键先还原生成氢化偶氮键 最后断裂形成两个氨基 例如 抗溃疡性结肠炎药物柳氮磺吡啶 sulfasalazine 在肠中被肠道细菌还原生成磺胺吡啶 sulfapyridine 和5 氨基水杨酸 5 aminosalicylic 后两者均有抗菌作用 sulfasalazinesulfapyridine5 aminosalicylic 24 氧化脱卤素反应是许多卤代烃的常见的代谢途径 CYP450酶系催化氧化卤代烃生成过渡态的偕卤醇 然后 再消除卤氢酸得到羰基化合物 醛 酮 酰卤和羰酰卤化物 这一反应需被代谢的分子中至少有一个卤素和一个 氢原子 偕三卤代烃 如三氯甲烷 比相应的偕二卤代烃及单卤代烃更容易被氧化代谢 生成活性更强的酰氯或羰酰氯中间体 或水解生成无毒的碳酸和氯离子 或和组织中蛋白质分子反应 产生毒性 抗生素氯霉素 chloramphenicol 中的二氯乙酰基侧链代谢氧化后生成酰氯 能对CYP450酶等中的脱辅基蛋白发生酰化 这是氯霉素产生毒性的原因之一 三 脱卤素反应 dehalogenation 25 四 水解反应 hydrolysis 水解反应是具有酯和酰胺类药物在体内代谢的主要途径 如羧酸酯 硝酸酯 磺酸酯 酰胺等药物在体内代谢生成相应的酸及醇或胺 酯和酰胺的水解反应可以在酯酶和酰胺酶的催化下进行 这些酶主要分布在血液中 其次在肝脏微粒体中 肾脏及其他组织中 也可以在体内酸或碱的催化下进行非酶的水解 26 体内酯酶水解有时具有一定选择性 有些水解脂肪族酯基 有些只水解芳香羧酸酯 如可卡因 cocaine 在体外用人肝脏酶催化水解时 只水解芳香羧酸酯基 不水解脂环羧酸酯基 而在体内正好不同 主要水解脂环羧酸酯基 cocaineprocainamideX NHprocaineX O 27 第四节第 相的生物转化phase biotransformation 28 第 相生物转化又称结合反应 conjugation 是在酶的催化下将内源性的极性小分子如葡萄糖醛酸 硫酸 氨基酸 谷胱甘肽等结合到药物分子中或第 相的药物代谢产物中 通过结合使药物去活化以及产生水溶性的代谢物 有利于从尿和胆汁中排泄 结合反应分两步进行 首先是内源性的小分子物质被活化 变成活性形式 然后经转移酶的催化与药物或药物在第 相的代谢产物结合 形成代谢结合物 药物或其代谢物中被结合的基团通常是羟基 氨基 羧基 杂环氮原子及巯基 第 相的生物转化phase biotransformation 29 对于有多个可结合基团的化合物 可进行多种不同的结合反应 如对氨基水杨酸 p aminosalicylicacid 30 谷胱甘肽结合 硫酸酯化结合 葡萄糖醛酸的结合 氨基酸的结合 甲基化结合 乙酰化结合 31 一 葡萄糖醛酸的结合 glucuronicacidconjugation 和葡萄糖醛酸的结合反应是药物代谢中最普遍的结合反应 生成的结合产物含有可解离的羧基 pKa3 2 和多个羟基 无生物活性 易溶于水和排出体外 葡萄糖醛酸通常是以活化型的尿苷 5 二磷酸 D 葡萄糖醛酸 uridinediphosphateglucuronicacid UDPGA 作为辅酶存在 在转移酶的催化下 使葡萄糖醛酸和药物或代谢物结合 在UDPGA中葡萄糖醛酸以 糖苷键与尿苷二磷酸相连 而形成葡萄糖醛酸结合物后 则以 糖苷键结合 结合反应是亲核性取代反应 UDPGA 32 葡萄糖醛酸的结合反应共有四种类型 O N S 和C 的葡萄糖醛酸苷化 对乙酰氨基酚 布洛芬 对氨基水杨酸 33 二 硫酸酯化结合 sulfateconjugation 药物及代谢物可通过硫酸酯结合反应而代谢 但不如葡萄糖醛酸苷化结合那样普遍 硫酸酯化后产物水溶性增加 毒性降低 易排出体外 硫酸酯化结合过程是在磺基转移酶 sulfotransferase 的催化下 由体内活化型的硫酸化剂3 磷酸腺苷 5 磷酰硫酸 PAPS 提供活性硫酸基 使底物形成硫酸酯 PAPS 34 参与硫酸酯化结合过程的基团主要有羟基 氨基和羟氨基 acetaminophen salbutamol 酚羟基在形成硫酸酯化结合反应时 具有较高的亲和力 反应较为迅速 如支气管扩张药沙丁胺醇 salbutamol 结构中有三个羟基 其中只有酚羟基形成硫酸酯化结合物 而脂肪醇羟基硫酸酯化结合反应较低 且形成的硫酸酯易水解成为起始物 35 三 氨基酸的结合 conjugationwithaminoacid 与氨基酸的结合反应是许多本身或代谢物含羧酸类药物在体内的主要结合反应 参与结合反应的羧酸有芳香羧酸 芳乙酸 杂环羧酸 参加反应的氨基酸主要是生物体内内源性的氨基酸或是从食物中可以得到的氨基酸 其中以甘氨酸的结合反应最为常见 结合反应是在辅酶A的作用下进行的 首先羧酸和辅酶A上的巯基 CoASH 形成酰化物 该酰化物再在氨基酸N 酰化转移酶的催化下 将其酰基转移到氨基酸的氨基上 形成N 酰化氨基酸结合物 36 四 谷胱甘肽结合 glutathionecojugation 谷胱甘肽 glutathione GSH 是含有硫醇基团的三肽化合物 硫醇基 SH 具有较好亲核作用 在体内起到清除代谢产生的有害亲电性物质的作用 此外 谷胱甘肽还有氧化还原性质 对药物及代谢物的转变起到重要的作用 glutathione 37 谷胱甘肽的结合反应主要有亲核取代反应 SN2 Michael加成反应及还原反应 白消安 硝酸甘油酯 morphine 38 谷胱甘肽结合物的形成不是以此作为代谢的最终形式 而通常是进行进一步的生物转化 最后谷胱甘肽结合物经降解生成巯基尿酸 mercapturicacid 衍生物的形式被排出体外 谷胱甘肽和酰卤的反应是体内解毒的反应 当多卤代烃如三氯甲烷在体内代谢生成酰卤或光气时会对体内生物大分子进行酰化产生毒性 谷胱甘肽通过和酰卤代谢物反应后生成酰化谷胱甘肽 解除了这些代谢物对人体的毒害 39 五 乙酰化结合 acetylation 乙酰化反应是含伯氨基 包括脂肪胺和芳香胺 氨基酸 磺酰胺 肼 酰肼等基团药物或代谢物的一条重要的代谢途径 前面讨论的几类结合反应都是使亲水性增加 极性增加 而乙酰化反应是将体内亲水性的氨基结合形成水溶性小的酰胺 乙酰化反应一般是体内外来物的去活化反应 40 乙酰化反应是以乙酰辅酶A acetylCoA 作为辅酶 在酰基转移酶 acyltransferase 的催化下进行的 acetylCoA 41 首先乙酰辅酶A对N 乙酰转移酶上的氨基酸残基进行乙酰化 然后再将乙酰基转移到被酰化代谢物的氨基上 形成乙酰化物 对于碱性较强的脂肪族伯胺和仲胺 乙酰化反应通常进行得较少 即使进行 结合率也比较低 但对于大多数芳香伯胺 由于其碱性中等 极易进行乙酰化反应 42 六 甲基化结合 methylation 甲基化反应是药物代谢中较为少见的代谢途径 但是对一些内源性物质如肾上腺素 褪黑激素等的代谢非常重要 对分解某些生物活性胺以及调节活化蛋白质 核酸等生物大分子的活性也起到非常重要的作用 和乙酰化反应一样 甲基化反应也是降低被结合物的极性和亲水性 只有叔胺化合物甲基化后生成季铵盐